RS65676B1

RS65676B1 - Folija za lemljenje bez olova

Info

Publication number: RS65676B1
Application number: RS20240727A
Authority: RS
Inventors: Ralph Mädler; Stephan Reichelt
Original assignee: Pfarr Stanztechnik Gmbh
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2024-07-31
Also published as: WO2021160196A1; JP2023512826A; US11712759B2; KR20220130676A; HUE067092T2; US20230027510A1; PL4103351T3; KR102975581B1; CN115052707B; EP4103351B1; JP7883438B2; EP4103351A1; DE102020000913A1; CN115052707A

Description

Opis

Pronalazak se odnosi na foliju za lemljenje bez olova pomoću koje se mogu spojiti metalne komponente i/ili metalizovane komponente / komponente premazane metalnim slojem tj. metalni površinski slojevi susednih komponenti.

Za spajanje komponenti u elektronskoj industriji, prema dosadašnjoj tehničkoj praksi, koriste se najčešće takozvani meki lemovi, kako u formi paste za lemljenje, tako i u vidu čisto metalnih kalupa za lemljenje, sa unapred određenim porcijama. Pouzdanost lemnih mesta u elektronici, konkretno u energetskoj elektronici, iziskuje danas veoma kvalitetne mehaničke, električne i termičke karakteristike lemnih materijala, kao i spojnih zona sačinjenih od njih, pri čemu je potrebno povećati njihova otpornost na sve više temperature.

Iz razloga zaštite životne sredine i zdravlja ljudi, današnji trend se ogleda u okretanju ka upotrebi ekološki prihvatljivih i zdravstveno bezazlenih materijala za lemljenje koji ne sadrže olovo.

Kao posledica prelaska na lemove bez olova, razvijene su brojne varijacije lemljenja koje se uglavnom baziraju na kalaju, a koje se, u poređenju sa legurama koje sadrže olovo, takođe odlikuju kvalitetnim mehaničkim, električnim i termičkim osobinama, ali se ipak tope na temperaturama od otprilike 214°C do 250°C.

Trenutno ne postoje meki lemovi bez olova za primenu / rad na visokim temperaturama, koji bi objedinili otpornost na temperaturu, neophodnu u energetskoj elektronici, sa nužnom pouzdanošću i ekonomičnošću.

Zbog toga je, na primer, kod primene na visokim temperaturama, tj. konkretno na radnim temperaturama iznad 250°C, neophodno razviti nove folije za meko lemljenje (po mogućstvu bez olova) koje trebe koristiti ekonomično, a koje ispunjavaju zahteve u pogledu temperature neophodne u energetskoj elektronici kako se ne bi, s jedne strane, za vreme procesa lemljenja, oštetile komponente koje treba spojiti i kako bi se, s druge strane, sa gledišta ekonomičnosti, napravio lemni spoj otporan na temperaturu koji garantuje visoku termičku pouzdanost spojnih zona između susednih komponenti i u procesima postupnog lemljenja, konkretno pomoću lemnih profila, tipičnih za meko lemljenje, u opsegu procesne temperature tipičnom za meko lemljenje bez olova, tj. poželjno od 250 do 300°C, ali barem 20-30 K iznad temperature likvida upotrebljenih mekih lemova i u trajanju lemljenja kraćem od 5 minuta, uobičajenim u tehničkoj praksi, kao i bez toplotnog tretmana u nastavku i čak bez dodatnog pritiskanja spojnog elementa za vreme lemljenja, kao i nezavisno od atmosfere koju treba podesiti u peći za lemljenje prilikom samog procesa lemljenja, uz minimalno obrazovanje pora i/ili šupljina u spojnoj zoni.

Kako bi se napravio ovakav spoj između komponenti, lemovi se moraju stalno prevoditi u otopljeno, tečno stanje. Nakon hlađenja i otvrdnjavanja lema ostvaruje se čvrsti, hemijski spoj između komponenti. Folije za lemljenje iz tehničke prakse imaju taj nedostatak što lem, kad se jednom prevede u otopljeno, tečno stanje, više ne poseduje značajniju unutrašnju otpornost (površinski napon tečnog lema) na promenu oblika usled sila koje deluju od spolja.

Ove sile koje deluju od spolja mogu pritom biti težina koju poseduju komponente koje treba spojiti, ali i sile guranja i pritiskanja koje se javljaju kao rezultat tehnološkog procesa spajanja, kao i kapilarne sile i sile koje nastaju pod uticajem površinskih napona ili sile izazvane atomskim uzajamnim silama u kombinaciji sa geometrijskim oblikom spojnog mesta / zone spajanja prilikom lemljenja.

Prilikom procesa lemljenja ove sile mogu dovesti do toga da se iskrive komponente koje je potrebno spojiti.

Time je nakon lemljenja debljina lema, posmatrana po poprečnom preseku, na jednoj ivici konstrukcije značajno tanja nego na oprečnoj ivici. Ove različite debljine poprečnog preseka lemnog materijala duž površina koje treba zalemiti imaju negativan uticaj na životni vek lemnog mesta, a time se, istovremeno, povećava otpornost na toplotu kod „debelih“ delova ili u njima, pri čemu se na taj način stvaraju nepoželjni takozvani „hotspotovi“.

U ekstremnim slučajevima može se u potpunosti neutralisati funkcionalnost (SMD) komponenti montiranih na površini, ako se rastave usled efekta „tombstone“ na zalemljenom mestu koje se rastopilo.

Na polju tehnika konstruisanja i spajanja energetske elektronike, mesta zalemljena bez olova, u poređenju sa njihovim pandanima sa visokim sadržajem olova, najčešće imaju kraći životni vek koji karakteriše smanjena izdržljivost u pogledu ciklusa promene temperaturnog opterećenja, pa čak i razdvajanje zalemljenih komponenti.

Lemovi sa visokim sadržajem olova se danas i dalje koriste u visoko osetljivim oblastima, kao što su konstrukcije aviona i svemirskih letelica ili vojna tehnologija, iako je toksičnost olova za čoveka i prirodu opšte poznata.

Druga rešenja, kao što su sinterovanje sa bakarnim ili srebrnim prahom u vidu paste ili upotreba veoma krhkih mekih lemova sa visokim sadržajem zlata, veoma su skupa, pa se stoga kao alternative gotovo ne uzimaju u razmatranje u ovim oblastima.

Osim ovih termo-mehaničkih prednosti, lemovi sa sadržajem olova, konkretno sa visokim sadržajem olova, odlikuju se tom prednošću što se tek na višim temperaturama tope u tečno stanje za razliku od drugih uobičajenih mekih lemova bez olova. Time se omogućuje bezbedno projektovanje takozvanih procesa postupnog lemljenja sa visokim sadržajem olova kod kojih se pojedinačni nivoi modula lemljenjem nadograđuju jedan na drugi.

Tako se prvo mesto lemljenja može, na primer, realizovati sa lemom sa visokim sadržajem olova koji se topi na višim temperaturama, a naredno mesto lemljenja onda sa osnovnim lemom od kalaja koji se topi na nižim temperaturama.

Na osnovu temperaturne razlike u opsegu topljenja od 80 K (kelvina) i više, kod ovakvih realizacije, u suštini, ne postoji opasnost da će se komponenta koja je već zalemljena odvojiti prilikom narednog koraka lemljenja naredne komponente, jer je dovoljno velika temperaturna razlika u odnosu na temperaturu solidusa prvog lema, pa se samim tim može i jednostavno kontrolisati. Ukoliko je upotreba ograničena na meki lem bez olova kakav je uobičajen u tehničkoj praksi, ova temperaturna razlika između temperature ponovnog topljenja već zalemljenog lemnog spoja i temperature topljenja mesta koje tek treba zalemiti smanjuje se na nešto više od 30 K za različite lemove na bazi kalaja, bez olova.

U industrijskoj praksi je, međutim, prilikom lemljenja u vakuumskim reflow uređajima za lemljenje, uobičajeno pregrevanje od otprilike od 20-30 K iznad temperature likvida kako bi se obezbedio spoj visokog kvaliteta.

Zbog toga se u tehničkoj praksi koriste još i lemovi sa sadržajem indijuma i bizmuta, kao alternativni materijali koji se tope na nižim temperaturama, a koji se mogu upotrebiti za bezbednu realizaciju postupnog lemljenja bez olova.

Veoma niske temperature topljenja lemova sa sadržajem indijuma i bizmuta, kao i slaba otpornost na puzanje, ozbiljno ograničavaju njihovu primenu u energetskoj elektronici.

Osim toga, indijum je veoma skup metal, tako da je njegova primena za lemljenje sistema velikih površina i velikih zapremina višestruko neekonomična.

Uzimajući u obzir da će uskoro isteći rok privremenih regulativa kojima se pravi izuzeci kad je reč o upotrebi lemova sa sadržajem olova u konvencionalnim privrednim oblastima na koje se ne odnosne privremene regulative za olovo, javlja se potreba za alternativnim materijalima za lemljenje kojima se mogu zalemiti zazori sa jednakim svojstvima u pogledu viskoznosti i otpornosti lema na visoke temperature kakvim se odlikuju i lemovi sa olovom.

U dosadašnjoj praksi na polju tehnika konstruisanja i spajanja, poznati su koncepti kod kojih se umetanjem kalupa, mreža ili prstena pokušava prevencija iskrivljenja komponenti koje treba zalemiti prilikom procesa lemljenja pri čemu se stvara konstantna debljina lemnih slojeva. Nedostatak ovih postupaka se ogleda u tome što se ne mogu isključiti gasne inkluzije koje rezultiraju lemnim spojevima sa šupljinama.

Tako je u patentu DE 2228703 A1 i s njim povezanom patentu US 3900153 A, predstavljen materijal za lemljenje kod koga se metalne, okrugle i cilindrične čestice dodaju u meki lem koji ih okružuje prilikom postupka topljenja ili se dodaju valjanjem sa ciljem da se obezbedi konstantni razmak između delova električne komponente koje treba zalemiti kako bi se prilikom procesa lemljenja sprečilo iskrivljenje komponenti koje treba zalemiti.

Metalne čestice koje se u slučaju ovakvog rešenja dodaju u materijal za lemljenje ne smeju da se otope u tečno stanje prilikom procesa lemljenja kako bi se nakon postupka lemljenja obezbedio minimalni razmak između komponenti.

Budući da su čestice integrisane u materijal mekog lema sa proizvoljnim geometrijskim oblikom tako da se nikako ne mogu reprodukovati, ovim rešenjem je svakako moguće podesiti minimalnu debljinu sloja, usaglašenu sa veličinom čestita, nakon što se spoje komponente.

Kako prilikom dodavanja čestica u postupku topljenja u meki lem koji ih okružuje, tako i prilikom valjanja čestica u folije mekog lema ili trake mekog lema, javljaju se značajni nedostaci za delove koji se zatim leme takvim materijalom, koji se odlikuju, pre svega, velikim brojem šupljina na spojnom mestu.

U patentu JP 2004174522 A je u uvodu opisan drugačiji spojni lem bez olova i postupak njegove proizvodnje.

Za primenu ovog spojnog lema prema patentu JP 2004174522 A bez olova, neophodna je primena sile pritiska za vreme procesa lemljenja tj. dejstvo težine na mesto spajanja. Na taj način ovaj proces spajanja, s jedne strane, iziskuje velike troškove u pogledu tehničke proizvodnje, a s druge strane, ova neophodna sila pritiska može da ošteti ili čak polomi poluprovodničke elemente, budući da su poluprovodnički elementi danas sve tanji, a kao posledica toga se mogu oštetiti električna svojstva komponenti koje treba zalemiti.

Kod prethodno opisanog spojnog lema iz patenta JP 2004174522 A stalno se koriste metalne mreže u kojima su međusobno isprepletane, između ostalog, bakarne žice, prečnika žice od 25 µm do 100 µm, u vidu petlje, pri čemu se ovde Cu bakarne žice više od 30 minuta čiste pre spajanja sa folijama mekog lema, usisivačem koji izaziva velike troškove ili pod dejstvom inertnog argona na temperaturama od otprilike 400°C do 600°C, ili se premažu slojem kalaja od otprilike 1 µm, pre spajanja sa folijama mekog lema.

Ove očišćene mreže ili premazane sa Sn, se onda, jednom ili više puta, između dveju folija za lemljenje od kalaja, premazuju debljinom od 20 µm do 250 µm u vidu sendviča, a nakon toga se, u nimalo ekonomičnom postupku, diskontinuirano spojnim pritiskanjem ili efikasnije, kontinuirano valjanjem, pri „procentualnoj redukciji visine“ svih sastavnih delova spojnog lema naređenih preko u vidu sendviča, tj. folije za lemljenje i mreža/e, stiska u spojni lem skraćujući se za 20% do 30% (izračunato na osnovu razlike zbirne izlazne visine svih sastavnih delova spojnog lema premazanih jedan preko drugog u vidu sendviča i krajnje visine u odnosu na zbirnu izlaznu visinu svih sastavnih delova spojnog lema premazanih jedan preko drugog u vidu sendviča, u %). Prema postupku spajanja primenjenom u kombinaciji sa patentnom JP 2004174522 A, usled kompleksnog geometrijskog oblika metalnih žica, konkretno u delu spojnih tačaka, pod datim procesnim uslovima (pri redukciji visine za 20% - 30%), ne može se garantovati potpuni hemijski spoj kojim matrica mekog lema obavija žičane umetke (ovde se referiše na JP 2004174522 A, slike 5 i 6). Prema tome, u teško dostupnim međuprostorima u zoni spojnih tačaka mreža ostaju šupljine. Osim toga, folije mekog lema se pod navedenim procesnim uslovima dodiruju u oblasti petlji. Pod procesnim uslovima, predloženim u patentu JP 2004174522 A ne mogu se proizvesti čvrsti, hemijski spojevi između Sn folija koje se primenjuju.

Prema tome, metalne mreže, prethodno opisane pomoću patenta JP 2004174522 A, postavljene u Sn lemu, integrisane su sa neznatnom adhezivnom otpornošću u Sn lem i obuhvataju, pritom, mnogo šupljina/mehurića.

Niti kalajisanjem metalnih mreža, niti presovanjem/valjanjem, pomoću ovakvog mekog lema ne mogu se popuniti, recimo, zazori između spojnih tačaka žice metalne strukture.

Gasni mehurići, umetnuti u spojni lem prema rešenju prema patentu JP 2004174522 A, koji se poželjno skupljaju u spojnim tačkama žice gde se fiksiraju, uklanjaju se pri mekom lemljenju u veoma malom opsegu, čak i uz upotrebu vakuuma.

Zbog toga kod upotrebe ove folije za lemljenje prema patentu JP 2004174522 A, ostaje veliki udeo poroznosti (čak i nakon procesa lemljenja uz primenu vakuuma, što iziskuje velike troškove).

Usled izolacionog dejstva gasnih inkluzija, ove gasne inkluzije imaju nužno negativan uticaj na termičku provodljivost tako da je termička provodljivost mesta spojenog u skladu sa patentnom JP 2004174522 A čak lošija od termičke provodljivosti monolitnog lema.

Ostali nedostaci proizlaze i iz toga što kod metalnih mreža, koje je potrebno integrisati, spojne tačke svojom dvostrukom debljinom žice nužno naležu uvek neposredno uz nepreklopljene, jednostavne žičane odeljke i obe se pritom takođe istovremeno nalaze pored šupljina petlje.

Prilikom utiskivanja folija mekog lema u rešetkaste strukture metalnih mreža, upotrebljeni materijali mekog lema, neposredno jedan pored drugog, moraju da prevaziđu otpore deformisanja suprotstavljene toku materijala i stoga moraju da prevaziđu različite nivoe otpora, iz čega proizlaze neposredno, na samom mestu, nepotrebna opterećenja (napon smicanja, zatezni napon) na štetu adhezivnoj strukturi između spojnih elemenata.

Uz to treba uzeti u obzir da se i kod procentualne redukcije za 20% do 30%, predložene u patentnu JP 2004174522 A, nečistoća površina trake sakuplja između traka stisnutih u spojni lem i da se tako prilikom lemljenja stvaraju zalemljena mesta slabog kvaliteta.

Sve ove već objašnjene mane patenta JP 2004174522 A imaju za posledicu da su elementi za spajanje koji stupaju u interaktivni odnos tj. metalne mreže i Sn folije sklone „odvajanju“ kad se spoj nađe pod mehaničkim opterećenjem.

Čak i najmanja mehanička opterećenja u narednim koracima obrade spojne folije, kao na primer sile smicanja prilikom prosecanja folija, dovode do odvajanja komponenti tj. s jedne strane, do odvajanja mreža od folija, a s druge strane, do odvajanja i folija kalaja jedne od druge.

Ovo može imati za posledicu veoma visoku stopu škarta, što negativno utiče i na troškove.

Nedostatak suviše slabe adhezije se, doduše, može ublažiti na uštrb takođe poželjne povišene temperature ponovnog topljenja tako što se, na primer, uvede ograničenje da se debele folije mekog lema kombinuju isključivo sa tankom žičanom mrežom.

Patent JP 2004174522 A predlaže, prema tome, između ostalog, da se nedostatak zaostalih šupljina odn. zona koje nisu optočene mekim lemom, ublaži na uštrb povišene temperature ponovnog topljenja, tako što se predviđa kombinovanje debelih folija za meki lem sa tankim žičanim mrežama kako bi veća zona žica optočila mekim lemom.

Međutim, folija za lemljenje ovakve građe ne može više nikako da garantuje efekat nagomilavanja intermetalnih faza sa povišenom temperaturom ponovnog topljenja, takođe opisan u patentu JP 2004174522 A, budući da su količine mekog lema na metalnim mrežama prosto suviše velike za povezivanje preko intermetalnih faza za spojni element prilikom lemljenja.

Zbog toga, kod rešenja prema patentu JP 2004174522 A, paralelno sa mogućim povećanjem žičane površine žičane mreže optočene mekim lemom u matrici mekog lema nužno značajno opada temperatura ponovnog topljenja, potrebna za bezbedan proces postupnog lemljenja, usled nedovoljno jakog vezivanja metalnih mreža preko intermetalnih faza za spojni element.

Međutim, budući da se povišena temperatura ponovnog topljenja i mehanički trajniji spojevi prema rešenju predstavljenom u patentu JP 2004174522 A, mogu obezbediti samo kada se intermetalne faze grade između metalnih mreža i spojnih elemenata, neophodna je relativno mala debljina slojeva mekog lema između bakarnih žica i spojnih elemenata, pošto se intermetalne faze mogu realizovati samo pod okvirnim uslovima sa mrežnim materijalom metalnih mreža – Cu.

Usled veoma velike površine Cu strukture koja se primenjuje u patentu JP 2004174522 A, intermetalne faze se onda formiraju u tolikom obimu na mestu lemljenja da mesta lemljenja postaju krta, pošto nakon procesa lemljenja preostaje veoma malo duktilnog mekog lema koji bi mogao da kompenzuje termo-mehaničko opterećenje koje se javlja prilikom procesa lemljenja, a koje je rezultat različitih termičkih koeficijenata istezanja. Kao posledica toga, lome se najslabiji spojni elementi, u ovom slučaju elektronske komponente.

Kod lemnih spojeva sa veoma visokim udelom intermetalnih faza, postoji problem da se supstrati spajaju samo sa električnim komponentama koji nemaju preveliku razliku kad je reč o termičkim koeficijentima istezanja, jer bi inače napon smicanja u poluprovodniku doveo da pucanja poluprovodnika prilikom lemljenja, pošto više nije raspoloživ duktilni meki lem u lemnom spoju koji bi mogao da apsorbuje najveće vrednosti napona/prenapona. Kod zalemljenih spojeva povoljnih za termo-mehaničko opterećenje, koji se u potpunosti sastoje od mekog lema koji deformisanjem apsorbuje termička opterećenja prilikom lemljenja, postoji taj problem da se ostvari lemni spoj otporan na visoke temperature koji takođe u procesima postupnog lemljenja obezbeđuje visoku termičku pouzdanost spojnih zona između komponenti.

U tom kontekstu, u patentu JP 2004174522 A se naglašava da optimalna debljina spojnog lema iznosi 150 µm i da se može koristiti i debljina do 250 µm, jer kod debljina od 250 µm pa naviše električna i termička otpornost spojnog mesta postaju suviše velike tako da se, recimo, temperatura ne može više u dovoljnoj meri odvesti sa elektronskih komponenti.

U patentu JP 2004174522 A se takođe zaključuje da se debljinom spojnog lema od 80 µm pa naniže, ne može više garantovati savladavanje napona, usled čega onda nastaju naprsline.

Ovo proizlazi iz činjenice da se, prema patentu JP 2004174522 A, upotrebom jedne ili više žičanih mreža, sloj mekog lema smanjuje velikom površinom žica i/ili intermetalnim fazama obrazovanim prilikom lemljenja, tako da su nakon procesa lemljenja posvuda prisutni samo tanki delovi „preostalog mekog lema“.

Budući da je materijalnim kompozitom, definisanim u patentu JP 2004174522 A, veoma teško obezbediti definisan geometrijski oblik žičane mreže, pomoću ovog kompozita ne može se garantovati egzaktno formiranje lemnog mesta, naročito ne kod prostora koji su u geometrijskom smislu kompleksni, jer se minimalni razmak može definisati samo preko žičanih tačaka povezivanja koje se periodično ponavljaju.

U patentu WO 2011/112722 A1 opisuje se još jedan materijal za difuzno lemljenje. Ovaj materijal se sastoji od metalne noseće trake i tankog obostranog nanosa mekog lema bez olova koji se u toku veoma dugog procesa lemljenja po mogućstvu potpuno pretvara u intermetalne faze. Prema realizaciji iz patenta WO 2011/112722 A1, treba, osim toga, stalno uzimati u obzir da se spajaju isključivo materijali sa barem sličnim koeficijentima toplotnog širenja.

To predstavlja ključnu slabost, pored vremenski dugog procesa lemljenja, prilikom spajanja klasičnih poluprovodničkih elemenata na bazi silicijuma koji se onda mogu lemiti samo za supstrate koji poseduju keramički međusloj koji kompenzuje nesklad između različitih koeficijenata toplotnog širenja različitih materijala, poznat pod nazivom AMB (Active metal brazed), DCB (Direct copper bonded) ili DBC (Direct bonded copper), tako da se kao materijali za upotrebu uzimaju u obzir samo ovi skupi keramički supstrati. Kao što je takođe predstavljeno u patentu WO 2011/112722 A1, neophodno je takođe specijalno pripremiti površine koje je potrebno spojiti, u pogledu hrapavosti i neravnina, kako bi se obezbedilo da se lem nanese u dovoljnoj meri.

Iz podnetog patenta DE 10 2017 004 626 A1, odn. WO 2018/210361 A1 na koji se nadovezuje, poznata je oprobana folija za lemljenje bez olova za difuzno lemljenje, kao i postupak za njenu proizvodnju, kojom je moguće spojiti metalne komponente i/ili metalizovane komponente / komponente premazane metalom tj. metalne površinske slojeve susednih komponenti koje treba zalemiti u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za meko lemljenje i u periodu lemljenja kraćem od 5 minuta, bez naknadne toplotne obrade i bez upotrebe sili pritiska za vreme lemljenja tako da nastane neprekidan sloj spojne zone koja se topi na visokim temperaturama, u vidu intermetalne faze sa temperaturom ponovnog topljenja iznad 400°C.

Ovde predstavljena folija za lemljenje bez olova za difuzno lemljenje obuhvata materijal kompozita za lemljenje koji se proizvodi valjanjem tako da se u okruženju za meko lemljenje bez olova, oko matrice mekog lema, isključivo kompaktne čestice metalne komponente koja se topi na visokim temperaturama u potpunosti umeću u meki lem bez olova tako da ove čestice metalne komponente koja se topi na visokim temperaturama, disperzivno raspoređene u matrici mekog lema, u pravcu jačine folije, obuhvataju debljinu od 3 µm do 20 µm, pri čemu međusobni razmak između čestica u matrici mekog lema iznosi 1 µm do 10 µm, dok je svaka od čestica metalne komponente koja se topi na visokim temperaturama obavijena sa svih strana jakim slojem mekog lema bez olova debelim 1 µm do 10 µm, osim toga, ta folija za lemljenje obuhvata spoljašnji sloj omotača susedan metalnim površinskim slojevima komponenti koje treba zalemiti, čija debljina iznosi 2 µm do 10 µm, a koji se sastoji od mekog lema.

Pomoću ove folije za lemljenje bez olova može se obezbediti sigurna, ekonomična realizacija postupnog lemljenja bez olova, međutim, ovim rešenjem nije moguće kontrolisati geometrijski oblik lemnog sloja, naročito ne u slučaju kompleksnijih geometrijskih oblika za zazor pri lemljenu, kako bi se, na primer, sprečilo iskrivljenje komponenti koje treba zalemiti tokom procesa lemljenja.

Iz patenta DE 10 2013 110 812 B3, kao i iz jedne varijante patenta DE 2228703 A1 odnosno iz s njim povezanog patenta US 3900153 A, poznato da je potrebno predati čestice koje se tope na visokoj temperaturi na površinu traka za lemljenje i da se zatim utisnu valjanjem ili linearnim pritiskanjem u površine na trakama kako bi se na ovaj način proizveo lemni materijal koji takođe sadrži čestice koje se tope na visokoj temperaturi koje zatim prilikom lemljenja treba da obezbede homogenu debljinu lemnog sloja.

Ovaj postupak proizvodnje valjanjem odn. utiskivanjem dovodi, kod ovog rešenja, kao i kod prethodno objašnjenog rešenja, do ozbiljnih nedostataka budući da se valjanjem ili utiskivanjem stvaraju tek slabe adhezivne sile između čestica i materijala mekog lema.

Kod rastresitog kompozita, proizvedenog valjanjem ili utiskivanjem, postoji stalna opasnost da se čestice koje se tope na visokoj temperaturi izgube tako što ispadnu ili pri transportu ili prilikom nekih drugih radnji, još i pre samog procesa lemljenja.

Osim toga, na površine čestica se lem nanosi tek kada se one urone u tečni lem, što dovodi do ulaska gasa u zavisnosti od količine / broja i vrste materijala, usled čega se neminovno stvaraju šupljine u lemnim spojevima koje predstavljaju ne baš zanemarljivo oslabljenje spojnog mesta, što je posledica grešaka prilikom nanošenja lema.

Druga rešenja, kao na primer ono opisano u patentu DE 3442537 A1, koriste metalne strukture ili folije sa strukturama od metala koji se tope na visokoj temperaturi (temperatura topljenja ovih metalnih struktura ili folija sa strukturama je viša od one kod samog mekog lema) kako bi se obezbedila što ujednačenija debljina zalemljenih mesta.

Pritom se te metalne strukture ili folije sa strukturama pre lemljenja pozicioniraju ispod ili iznad mekog lema.

Takođe je poznat postupak da se te mreže stave između struktura i popune pastom za lemljenje.

Suštinski nedostatak odvojenog postavljanja mreža i folija sa strukturama je u tome što se u njih mora infiltrirati lem za vreme postupka lemljenja odn. one se najpre nalaze u kontaktu sa makar jednom površinom komponente koju treba spojiti i na taj način sprečavaju da se nakvase lemom.

Lemni profili moraju kod ovakvih slučajeva primena da se realizuju tako da se paralelno uračuna i termička masa mreža i folija što ne predstavlja zanemarljiv trošak za proizvodnju novih lemnih profila kojima je pritom takođe potrebno duže vreme lemljenja u odnosu na konvencionalne profile za meko lemljenje (uobičajene u tehničkoj praksi).

Lemni profil se mora prilagoditi pri svakoj ponovnoj realizaciji lemnog mesta.

Pritom se mora nužno misliti na vreme infiltracije kroz materijal za lemljenje, kao i vreme dok ne potone mreža odn. profilisane folije u otopljeni, tečni lem.

Osim toga, uvek postoji problematika kad je reč o realizaciji debljine mreža i folija u poređenju sa debljinom zalemljenog sloja.

Zavisno od kompleksnosti mreža i folija, potrebno je odabrati lemove sa niskom viskoznošću.

Osim toga, mora se uzeti u obzir razlika gustine između materijala mreže i materijala lema kako bi se obezbedilo utapanje/uranjanje mreže u tečni materijal lema. Često se kao posledica javljaju greške pri nanošenju lema koje zatim smanjuju termičku provodljivost kao i mehaničku stabilnost zalemljenog sloja, a samim tim imaju i znatan negativni uticaj na pouzdanost tako zalemljenog mesta

Budući da mreže ili folije sa strukturama nisu integrisane u prvobitni oblik (kalup za lemljenje), već se umeću razdvojeno prilikom generisanja gomile, samim tim je neophodan odvojeni korak popunjavanja čime se u procesu lemljenja nužno produžava ukupno vreme proizvodnje.

Iz patenta WO 2018/209237 A1 je poznat lemni materijal kod koga se žice prečnika od 5 µm do 200 µm, topljenjem i valjanjem, dopremaju trakama za meko lemljenje, sa ciljem da se poveća termička provodljivost zalemljenog mesta izrađenog ovim kompozitom materijala.

Kod postupka izrade materijala koji nije bliže opisan u patentu WO 2018/209237 A1, nego samo sastavljen u grubim crtama, prema kome se svakako polazi od valjanja žica u trake ili folije, površinske oblast žica su otvorene na površini kompozita.

Valjanjem se ne može postići zaista čvrsta integracija žice u traku mekog lema putem hemijskog spoja.

Na ovaj način, kod koraka dalje obrade, kao što su prosecanje ili savijanje, postoji stalna opasnost da se žica pre lemljenja „odvoji“ od mekog lema.

Osim toga, to znači da se žica prilikom lemljenja najpre mora utopiti / uroniti u tečni meki lem što ima za posledicu stvaranje šupljih mesta i mogućnost pogreške pri nanošenju lema.

Zbog toga se i kod ovog rešenja javljaju prethodno opisani nedostaci, zajednički svim prethodno citiranim rešenjima, koji se ogledaju u tome što čak i u materijalu za lemljenje prema patentu WO 2018/209237 A1 stalno zaostaju mali mehuri ispunjenim atmosferom, šupljine ili slično, usled čega se prilikom lemljenja stvaraju šupljine i pore sa prethodno opisanim nedostacima. Materijal / lemni kalup, opisan u patentu WO 2018/209237 A1 može se, međutim, izraditi i tako što se žica doprema rastopljenom, tečnom lemu.

Pritom se već pre samog lemljenja (kod uobičajenih kombinacija žice / mekog lema (bakrene žice, meki lem na bazi kalaja)) ne tako neznatni deo žice rastače u tečnom mekom lemu.

Ovakav postupak izrade kod koga se žica dodaje rastopljenom, tečnom lemu, iziskuje komplikovanu izradu budući da u obzir dolaze samo diskontinuirani postupci izvornog livanja lošeg kvaliteta, kao što je livanje ingota, a nikako kontinuirani postupci kao što je kontinuirano livanje.

Materijal opisan u patentu WO 2018/209237 A1 treba, osim povećanja termičke provodljivosti, prilikom lemljenja da vrši i sporednu ulogu kontrolisanja debljine lemnog sloja.

U ovom kontekstu treba naglasiti da se prema današnjoj tehničkoj praksi lemna mesta energetskog poluprovodničkog modula između podne ploče odn. hladnjaka i supstrata, iz razloga termo-mehaničke dugoročne stabilnosti, realizuju sa debljinom / jačinom lemnog sloja počevši od 250 µm do 400 µm, na uštrb povećanja toplotne otpornosti.

Za ove debljine lemnog sloja od 250 µm do otprilike 400 µm, uobičajene u tehničkoj praksi, nije pogodan materijal opisan u patentu WO 2018/209237 A1, jer bi se čak i kad je prečnik žice 200 µm, komponente mogle nakriviti jedna ka drugoj barem za još 50 µm (kad je debljina lemnog sloja 250 µm) maksimalno do 200 µm (kad je debljina lemnog sloja 400 µm). U ovom drugom slučaju, dakle, za 50% vrednosti predviđene debljine lemnog sloja. Ovim „zakrivljenjem“ na lemnom mestu umetanjem žica anulira se, međutim, željeni cilj (zadatak) pronalaska, naime povećanja termičke provodljivosti lemnog mesta, jer su iskrivljena lemna mesta glavni uzrok stvaranja termičkih hotspotova. Načelno treba naglasiti i da lemni spoj, pogodan za termo-mehaničko opterećenje, treba da sadrži, s jedne strane, u određenom obimu, intermetalne faze stabilne na višim temperaturama sa uključenim metalom koji se topi na višim temperaturama (Cu ili nešto slično), ali u isto vreme treba da bude duktilan, otporan na puzanje tj. neosetljiv na promene termičkog opterećenja.

Zadatak ovog pronalaska se, stoga, sastoji u tome da se razvije folija za lemljenje bez olova, debljine od 50 µm do 600 µm, koja omogućuje podešavanje definisanog i ponovljivog geometrijskog oblika spojne zone, bilo da je reč o jednostavnom ili kompleksom obliku, takođe nakon samog procesa lemljenja, pri čemu se proces lemljenja može sprovesti takođe u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za meko lemljenje bez olova, tj. poželjno 250 do 300°C, ali barem 20-30 K iznad temperature likvida upotrebljenih mekih lemova, kao i u trajanju lemljenja kraćem od 5 min, kakvo je uobičajeno u tehničkoj praksi kod mekog lemljenja bez olova, kao i bez toplotnog tretmana u nastavku i bez primene dodatne sile pritiskanja na spojne elemente za vreme lemljenja, kao i nezavisno od atmosfera koje je potrebno podesiti u peći za lemljenje prilikom lemljenja, pri čemu se u slučaju minimalnog obrazovanja pora i/ili šupljina u spojnoj zoni treba postići lemni spoj otporan na visoke temperature, a koji treba da obezbedi visoku termičku pouzdanost spojnih zona između susednih komponenti čak i u procesima postupnog lemljenja kod kojih postoji opasnost ponovnog topljenja pre nego što se oblasti zaleme, i koji, osim toga, obezbeđuje geometrijski egzaktnu spojnu zonu, visoko preciznu po pitanju geometrijskih dimenzija, koja znatno poboljšava termičku provodljivost čitave spojne zone i istovremeno sprečava/zadržava širenje pukotina u spojnoj zoni u slučaju da presuši materijal i pritom istovremeno, na osnovu svoje duktilnosti, prihvata termičke napone koji nastaju usled lemljenja, ali i za vreme umetanja komponenti, i na taj način, generalno, višestruko produžava životni vek spojne zone pomoću ovde predstavljenog rešenja, u poređenju sa spojnom zonom izrađenom lemnim materijalima iz tehničke prakse u pogledu tehnika konstruisanja i spajanja.

Prema ovom pronalasku, zadatak se rešava folijom (1) za lemljenje bez olova debljine od 50 µm do 600 µm, kojom se spajaju metalne komponente i/ili metalizovane komponente / komponente premazane metalom tj. metalni površinski slojevi susednih komponenti, na novi način čak i u procesu lemljenja, u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za meko lemljenje bez olova, tj. poželjno 250 do 300°C, ali barem 20-30 K iznad temperature likvida upotrebljenih mekih lemova, kao i u trajanju lemljenja kraćem od 5 min, kakvo je uobičajeno u tehničkoj praksi kod mekog lemljenja bez olova, kao i nezavisno od atmosfera koje je potrebno podesiti u peći za lemljenje prilikom lemljenja, uz minimalno obrazovanje pora i/ili šupljina u spojnoj zoni se postiže lemni spoj otporan na visoke temperature, koji treba da obezbedi visoku termičku pouzdanost spojnih zona između susednih komponenti čak i u procesima postupnog lemljenja kod kojih postoji opasnost ponovnog topljenja pre nego što se oblasti zaleme, tako da se na osnovu karakteristika prema ovom pronalasku unapređenog lemnog spoja obezbeđenog folijom za lemljenje, reše prethodno navedeni problemi iz tehničke prakse i da su na osnovu lejauta prema ovom pronalasku mogući kompleksni geometrijski oblici kakvi će se ubuduće moći naći naročito u stekovima sa integrisanim mehatroničkim funkcijama.

Od suštinskog je značaja da kod folije (1) za lemljenje prema ovom pronalasku ne postoji potreba niti za dodatnim tretmanom toplotom niti za dodatnim izvršenjem pritiska na spojni element za vreme lemljenja. Suštinski važno za ovaj pronalazak je pritom da je folija (1) za lemljenje realizovana kompaktno tako da su u matrici (2) mekog lema koja se sastoji od lema na bazi kalaja bez olova, čistog kalaja, čistog indijuma ili od legure na bazi indijuma, kao što je InSn48, integrisane dve ili više žica (3) kompozita, pojedinačno, paralelno jedna u odnosu na drugu i paralelno sa ivicama trake, tako da se žice (3) kompozita presuju valjanjem, poređane uzdužno u odnosu na pravac valjanja između dveju folija za meko lemljeno ili dveju traka za meko lemljenje, pri „procentualnoj redukciji visine polaznih traka“, izračunato na osnovu razlike između zbirne polazne visine traka (6) (određeno bez dodavanje visine žica (3) kompozita) i krajnje visine (V) folije (1) kompozita (sa umetnutim žicama (3) kompozita), u odnosu na zbirnu polaznu visinu traka (6), u %, u opsegu više od 30 % najviše do 95 %, poželjno od 50 do 85 % i da se tako hemijske spojene pozicioniraju u matrici mekog lema.

Takođe je suštinski važno da minimalni dopustivi razmak između jezgara (4) žica (3) kompozita nakon procesa valjanja iznosi otprilike 500 µm. Time se utiče na to da u još uvek dovoljnom jedinjenju MaUe ostane duktilna zapremina mekog lema između žica obmotanih intermetalnim fazama kako bi se termo-mehanička naprezanja koja se javljaju prilikom lemljenja i prilikom primene, a koja su rezultat različitih koeficijenata toplotnog širenja kod spojnih elemenata, izjednačila elastično-plastičnim deformisanjem.

Istovremeno, kod ovakvog razmaka ne postoji opasnost da se reakcioni proizvodi, obrazovani prilikom lemljenja u reaktivnim atmosferama zadrže pod dejstvom kapilarnih efekata u masi mekog lema. Nadalje je karakteristično da minimalno dopustivi razmak jezgara (4) žica (3) kompozita od spoljašnje ivice folije za lemljenje nakon procesa valjanja iznosi otprilike 500 µm.

Time se utiče na to da vučna naprezanja koja se javljaju prilikom procesa presovanja valjanjem u zoni ivica traka nemaju negativan uticaj na integraciju žica (3) kompozita, ostvarenu hemijskim spojem, dok bi greške pri adheziji ili vezivanju nastale ovim putem u slučaju lemljenja mogle dovesti do povišene poroznosti ili do obrazovanja šupljina.

Maksimalni razmaci jezgara (4) žica (3) kompozita među sobom i od spoljašnje ivice folije za lemljenje nakon procesa valjanja zavise pritom od širine traka mekog lema koje se upotrebljavaju. Time se utiče na to da, zavisno od slučaja primene, broj žica (3) kompozita i njihovo precizno pozicioniranje po čitavoj širini traka (6) može da bude fleksibilan i individualan, u okvirima prethodno navedenih ograničenja, i da se tako dođe do specifičnog rešenja za sve uobičajene zadatke na polju tehnika konstruisanja i spajanja.

Pomoću folije za lemljenje prema ovom pronalasku, u kojoj su žice (3) kompozita usmerene uzdužno u pravcu valjanja, pojedinačno i paralelno sa ivicama traka, integrisane međusobno paralelno, spojene u potpunosti hemijskim putem tj. uz maksimalnu adheziju uz matricu (2) mekog lema, garantuje se da usled delovanja sila koje se javljaju u narednim koracima obrade, na primer prilikom prosecanja folija, ne dođe ni u kom slučaju do delaminacije komponenata.

U isto vreme, integracija žica (3) kompozita u matrici (2) mekog lema, prema ovom pronalasku, ostvarena hemijskim spojem, utiče na to da nakon presovanja valjkom prema ovom pronalasku, uz „procentualnu redukciju visine polaznih traka“ u opsegu od preko 30 % do 96 %, u unutrašnjosti kompozita, ne ostaju nikakve šupljine tako da se u procesu lemljenja ne moraju uklanjati nikakvi gasovi iz folije (1) za lemljenja prema ovom pronalasku, čime meki lem matrice (2) mekog lema obuhvata, u foliji (1) za lemljenje prema ovom pronalasku, uvek iste tehničke karakteristike kao i monolitni polazni materijal mekog lema.

Takođe je od suštinske važnosti da žice (3) kompozita, postavljene pojedinačno u foliji (1) za lemljenje, obuhvataju jezgro (4) koje se sastoji od metala koji se topi na većoj temperaturi nego matrica mekog lema i koji je u isto vreme čvršći, ili od metalne legure, kao što je bakar ili legura na bazi bakra, srebro ili legure na bazi srebra, nikl ili legure na bazi nikla, zlato ili legure na bazi zlata, oko koga je postavljen omotač (5) od drugog metala ili druge metalne legure, kao što je čist kalaj ili legura na bazi kalaja, ili indijum ili legura indijuma.

Karakteristično je pritom da omotač (5) žica (3) kompozita obuhvata debljinu sloja od 2% do 20% u odnosu na ukupni prečnik žice (3) kompozita

Naredna karakteristika ovog pronalaska se ogleda takođe u tome da je nakon postupka presovanja valjkom, iznad i ispod barem jednog od jezgara (4) žica (3) kompozita utisnutih u matricu (2) mekog lima, postavljen još jedan sloj od materijala mekog lema koji je sastavljen od dela matrice (2) mekog lema i sloja omotača (5) žica (3) kompozita, koji tada zbirno, na najtanjem mestu, iznosi barem 5 µm, a najviše 15 µm, poželjno 5 µm do otprilike 10 µm.

Folija (1) za lemljenje prema ovom pronalasku se izrađuje tako što se gornja traka (6) od mekog lema, donja traka (6) od mekog lema, kao i više žica (3) kompozita, postavljenih između traka (6) definisano dopremaju u prorez ispod valjka kako bi se presovale valjanjem.

Silama koje izazivaju promenu oblika ka redukciji poprečnog preseka, utiče se na to da se pojedinačni sastavni delovi folije (1) za lemljenje prema ovom pronalasku međusobno spoje na hemijski način stvarajući kompozit materijala.

Kompozit materijala, kao rezultat ovog procesa presovanja valjkom, u vidu folije (1) za lemljenje ima, gledano poprečno u odnosu na dužinu trake folije (1) za lemljenje, na primer, izgled pravougaonog poprečnog preseka, u čijoj su matrici (2) mekog lema umetnute žice (3) kompozita putem hemijskog spoja. Oblikovanjem ovih materijala i geometrijskog izgleda žica (3) kompozita, koje u početnom stanju mogu da imaju okrugli ili ovalni poprečni presek, u kombinaciji sa specijalnim izborom geometrijskog oblika trake u početnom stanju u interakciji sa podešavanjem geometrijskog oblika valjka, moguće je izraditi veliki broj kompleksnih geometrijskih postavki unutrašnjosti folije za lemljenje (naznačenih u nastavku kao lejaut). Presovanjem valjkom se, prema ovom pronalasku, najpre izrađuje ravan proizvod koji odgovara poligonalnom geometrijskom obliku u prvoj aproksimaciji.

Međusobni razmak između pojedinačnih žica (3) kompozita, kao i geometrijski oblik samog valjka je pritom uvek definisan i može se podesiti tako da se reprodukuje.

Budući da se kao polazni proizvodi koriste „kvazi-kontinuirani poluproizvodi“ u vidu folija mekog lema ili traka mekog lema i žice kompozita, postupak izrade folije (1) za lemljenje prema ovom pronalasku je veoma efikasan i isplativ.

Pomoću folije (1) za lemljenje prema ovom pronalasku obezbeđuje se kompozit kod koga se svi materijali vezuju potpuno hemijskim spojem i gde ne ostaju mehuri sa atmosferskim punjenjem, šupljine ili slično.

Pritom je potpuno isključena mogućnost ispadanja ili skliznuća ili drugačijih promena mesta žica kompozita, prilikom transporta folije za lemljenje prema ovom pronalasku ili prilikom drugačijih radnji sa folijom za lemljenje prema ovom pronalasku.

Time što se prema ovom pronalasku kao poluproizvodi koriste samo okrugli ili ovalni poprečni preseci žice kompozita, garantuje se da meki lem uvek veoma dobro „obavija“ ove geometrijske oblike poluproizvoda prilikom presovanja valjkom.

Time što se žice (3) kompozita prilikom procesa valjanja u potpunosti optoče, pojava šupljina i pora tokom lemljenja sa folijom (1) za lemljenje prema ovom pronalasku je podjednako mala kao i prilikom lemljenja sa monolitnim folijama za lemljenje odn. kalupima za lemljenje izrađenim od njih.

Istovremeno, stanja naprezanja koja se generišu prilikom valjanja između žice kompozita i mekog lema traka (6), ne dovode do toga da se prekorači kapacitet deformisanja traka (6).

Kapacitet deformisanja je sposobnost materijala da menja svoj oblik pod dejstvom spoljašnjih sila – koje generišu naprezanja u materijalu – u dovoljnoj meri da se ne rastavi „sigurni spoj materijala“ ili da se čak onemogući njegova izrada.

Nakon integracije žica kompozita u meki lem prema ovom pronalasku, procesom presovanja valjkom prema ovom pronalasku, žice kompozita su u svakom slučaju potpuno optočene mekim lemom. Ovim se prema ovom pronalasku obezbeđuje da se čim se lem otopi, smesta optoče sve površine komponente i tako se isključi u potpunosti mogućnost greške pri nanošenju lema.

Rešenjem prema ovom pronalasku takođe je moguće svesno realizovati integrisane žice (3) kompozita sa nejednakim geometrijskim oblicima poprečnog preseka kao bi se mogle reprodukovati veoma složeni geometrijski oblici zazora za lemljenje.

Ovakvi veoma složeni geometrijski oblici zazora za lemljenje su danas traženi, na primer, u kombinaciji sa konstrukcijom modula energetskih poluprovodnika sa konkavnim ili konveksnim realizacijama zazora za lemljenje između supstrata i podnih ploča ili rashladnih tela.

Sa folijama za lemljenje prema ovom pronalasku mogu se realizovati, međutim, i mnogo složeniji geometrijski oblici u tehnici konstruisanja i spajanja.

Ovo će ubuduće biti neophodno kada moduli budu morali da, osim električnih, preuzmu i mehaničku funkciju i moraće da se realizuju kao kompleksne 3D strukture, a ne više u običnoj „ravnoj“ konfiguraciji.

Usled slobodnog izbora geometrijske realizacije poprečnog preseka matrice mekog lema i u kombinaciji sa slobodnim izborom oblika i broja žica (3) kompozita integrisanih u njoj, broj lejautova je gotovo neograničen.

Iz ove folije (1) za lemljenje prema ovom pronalasku mogu se onda, prosecanjem odn. kombinovanim procesima prosecanja i preoblikovanja ekonomično izraditi najrazličitiji lemni kalupi (8) tzv. modle, za odgovarajući geometrijski oblik koji se primenjuje.

Folijom (1) za lemljenje prema ovom pronalasku, u konvencijalnom procesu mekog lemljenja bez olova pomoću lemnih profila, poznatih iz tehničke prakse mekog lemljenja, u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za meko lemljenje bez olova, tj. poželjno 250 do 300°C, ali barem 20-30 K iznad temperature likvida upotrebljenih mekih lemova, kao i uz temperaturu lema do otprilike 280°C, kao i u trajanju lemljenja kraćem od 5 min, tada prilikom procesa lemljenja, usled metalurških efekata, odvija se pretvaranje stubića mekog lema kod, iznad i ispod zone omotača žica kompozita u intermetalne faze koje se tope na višim temperaturama, oko jezgra (4) same žice (3) kompozita tako da se realizuju kompletni mostovi od intermetalnih faza koji se tope na višim temperaturama, sve do komponenata koje treba spojiti tako da su nakon lemljenja, u zoni egzaktno definisanih poprečnih preseka u spojnoj zoni (13) oko jezgara (4) žica (3) kompozita postavljeni samo čvrsti mostovi koji se tope na višim temperaturama. Prema ovom pronalasku, između i pored ovih čvrstih mostova i dalje je postavljen materijal mekog lema izvorne matrice mekog lema, nakon procesa lemljenja u spojnoj zoni (13).

Čvrsti mostovi koji se tope na višim temperaturama, obrazovani prema ovom pronalasku u procesu lemljenja tj. oblasti spojeva ostvarenih hemijskim putem prema ovom pronalasku, između komponenti koje treba spojiti, poseduju suštinski veću čvrstinu u poređenju sa materijalom mekog lema matrice mekog lema koji se graniči sa ovim mostovima, no u isto vreme i mnogo višu temperaturu ponovnog topljenja.

Na taj način mostovi realizovani prema ovom pronalasku od intermetalnih faza, rešavaju dva osnovna problema u tehnici konstruisanja i spajanja koji se javljaju kod postupnih lemljenja kad se primenjuju uobičajeni meki lemovi. Kao prvo, mostovima „stabilnim na višim temperaturama“, realizovanim prema ovom pronalasku, između komponenti koje treba spojiti, sprečava se skliznuće ovih komponenti u procesu postupnog lemljenja, jer se mostovi realizovani prema ovom pronalasku više ne mogu otopiti pri temperaturama uobičajenim za proces mekog lemljenja. Prema ovom pronalasku, ovi mostovi, međutim, utiču i na to da se zahvaljujući njihovoj većoj mehaničkoj stabilnosti zaustavi / spreči širenje pukotina na mostovima, u slučaju da ponestane materijala.

Budući da je između ovih veoma čvrstih mostova, koji funkcionišu kao elementi za blokiranje pukotina, uvek postavljena duktilna matrica mekog lema, koja je u stanju da, prema ovom pronalasku, plastičnim deformisanjem smanji višak opterećenja koji se javlja u spojnoj zoni. Ovi veoma čvrsti mostovi u vidu šina omogućavaju istovremeno da prilikom lemljenja ostane oblast „otvorena za odvođenje gasova“ pored / duž „šina“ ili između susednih „šina“ i površina susednih komponenti koje treba spojiti, što sa jedne strane, omogućava odvođenje gasova reakcionih proizvoda koji nastaju na površinama spojnih elemenata koje treba spojiti (tj. između površina komponenti koje treba spojiti (npr. keramičkog supstrata (9), podne ploče (10) i površina folije (1) za lemljenje koje treba spojiti), prilikom lemljenja (tj. gas obrazovan od medija upotrebljenih prilikom lemljenja i površinskih oksida spojnih elemenata kao proizvod reakcije (vodena para ili slično)), iz zone ovih površina spojnih elemenata, a što sa druge strane takođe omogućava da šupljine prisutne između površina spojnih elemenata, koje su najčešće posledica geometrijskog oblika površina koje treba spojiti, koje odstupaju od idealne površine (zbog hrapavosti, talasastih formacija, žlebova, ogrebotina itd.), obrazuju „atmosferske mehure“ koji se mogu preskočiti prilikom lemljenja.

Generalno, pomoću rešenja prema ovom pronalasku stvara se potpuno novi lemni spoj koji, osim prednosti u pogledu precizne kontrole geometrijskog oblika mesta lemljenje, suštinski poboljšava vođenje procesa lemljenja prilikom postupnog lemljenja i osim toga, istovremeno, sprečava nestajanje materijala, pri čemu je vidno duži životni vek spojne zone (13) izrađene folijom (1) za lemljenje prema ovom pronalasku u odnosu na spojne zone (13) izrađene tehnikom konstruisanja i spajanja uz primenu konvencionalnih materijala za lemljenje.

Poželjne realizacije, pojedinosti i ostale karakteristike ovog pronalaska proizlaze iz zavisnih patentnih zahteva, kao i opisa u nastavku primera realizacije prema ovom pronalasku.

U nastavku će se bliže objasniti pronalazak u kombinaciji sa šest prikaza rešenja prema ovom pronalasku.

Slika 1 prikazuje postavku prema ovom pronalasku za izradu folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku.

Na slici 2 je u prikazu preseka predstavljen lemni kalup sastavljen od folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku koji je postavljen između supstrata 9 i podne ploče 10 pre procesa lemljenja.

Slika 3 prikazuje postavku predstavljenu na slici 2, neposredno nakon procesa mekog lemljenja.

Slika 4 prikazuje postavku predstavljenu na slici 3 nakon dužeg vremena primene u trajnom pogonskom stanju.

Na slici 5 je prikazan lemni kalup 8 izrađen od folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, sa dve žice 3 kompozita integrisane u jednu matricu 2 mekog lema, prikazan u prostoru.

Slika 6 prikazuje lemni kalup 8 izrađen od folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, sa tri žice 3 kompozita integrisane u jednu matricu 2 mekog lema, prikazan u prostoru.

Slika 1 predstavlja postavku prema ovom pronalasku za izradu folije 1 za lemljenje bez olova.

Polazni materijal su najpre, kao što je predstavljeno na slici 1, dve folije odn. trake 6 od mekog lema čije površine su odmašćene i bez ikakve prljavštine.

Ove trake 6 se mogu očetkati, u cilju bolje dalje obrade, pre presovanja valjkom kako bi se uklonile spoljašnji elastični slojevi pasivnosti i dobila hrapavost površine neophodna za obradu u valjku koja treba da usledi.

Ove folije ili trake 6 se raspoređuju sa ulazne strane valjaka 7 stalka valjka tako da se najpre uvlači donja traka 6 iz materijala za lemljenje kroz valjak.

Zatim se žice 3 kompozita, koje su, svrsishodno, navijene u kalemove, navijaju na odgovarajuće koture.

Žica 3 kompozita može biti realizovana sa okruglim ili čak ovalnim poprečnim presekom.

Shodno broju žica 3 kompozita koji treba integrisati u foliju 1 za lemljenje, one se postavljaju sa ulazne strane stalka sa valjkom između traka.

U slučaju jednostavnog lejauta potrebno je integrisati dve žice kompozita.

Kod folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku moguće je upotrebiti takođe i više žica 3 kompozita, na primer, pet ili više žica 3 kompozita. Pritom može da varira geometrijski oblik žica 3 kompozita, kao i njihova debljina.

Jednostavan primer predviđa da se primene dve žice kompozita, okruglog polaznog oblika i istog prečnika.

U slučaju kompleksnijeg primera, mogu se primeniti takođe tri ili više žica kompozita različitog oblika i, pre svega, različitog prečnika.

Kao polazni materijal za trake 6, koje generišu matricu 2 mekog lema nakon procesa presovanja valjkom, dolaze u obzir sve uobičajene legure bez olova na bazi kalaja, konkretno: Sn; SnAg3,5; SnCu3; SnCu0,7; SnSb5; SnSb8; SnAg0,3Cu0,7; SnAg1Cu0,7; SnAg3,8Cu0,7; SnAg3,0Cu0,5; SnAg0,4Cu0,5.

Međutim, moguće je upotrebiti i metale i legure na bazi indijuma, na primer čist indijum ili InSn48.

Kad je reč o jezgru 4, u obzir dolaze pre svega metali i legure od čistog bakra i legura bakra, čistog srebra i legura srebra, kao i nikla i legura nikla, i to pre svega u kombinaciji sa legurama na bazi kalaja, u folijama mekog lema koje treba primeniti. Međutim, može se upotrebiti i zlato i legure na bazi zlata sa lemovima na bazi indijuma, iako je ovde svakako reč o skupom primeru kombinacije materijala.

Za proces spajanja prilikom presovanja valjkom, kao i za proces difuznog lemljenja je karakteristično da se omotač 5 žica 3 kompozita sastoji od drugog metala nego jezgro 4.

Ivični slojevi omotača 5 (pretežno oksidi kalaja), veoma krti u poređenju sa metalom jezgra 4, pospešuju izgradnju spoja sa trakama 6 prilikom procesa presovanja valjkom, jer se krti slojevi omotača 5 kidaju i pri najslabijem deformisanju i pritom prave mesto za materijal u unutrašnjosti ispod slojeva omotača, pogodniji za spajanje.

Pritom nije nimalo važno da li je omotač 5 žice 3 kompozita stvoren galvanski ili potapanjem jezgra 4 u metalnu rastopinu.

Debljina sloja omotača može da iznosi otprilike 2% do 20% debljine ukupnog prečnika žice 3 kompozita.

Kao „difuzno zalemljene zone“ oko jezgra 4 same primenjene žice 3 kompozita, javljaju se kao faze koje se tope na višoj temperaturi, zavisno od izabranih materijala koji se primenjuju, intermetalne faze odn. njihove kombinacije koje se obrazuju u skladu sa dosadašnjom tehničkom praksom.

Kako bi se postigle temperature ponovnog topljenja intermetalnih faza ≥ 400°C, treba težiti uvek kombinacijama materijala kao što je lem na bazi kalaja u svojstvu matrice 2 mekog lema sa jezgrima 4 žica 3 kompozita od žice bakra, srebra ili nikla ili lem na bazi indijuma u svojstvu matrice 2 mekog lema sa jezgrima 4 žica 3 kompozita od žice nikla ili zlata.

Sam lemni profil, tj. temperaturno-vremenski režim prilikom procesa lemljenja odgovara pritom uvek profilu mekog lema, uobičajenom u tehničkoj praksi za konkretnu kombinaciju materijala, sa procesno temperaturnim opsegom npr. do otprilike 280°C i u trajanju lemljenja kraćem od 5 minuta.

Način realizacije folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, predstavljen na slici 1, prikazuje po sredini veoma tanku žicu 3 kompozita oko koje su, sa obe strane, postavljene dve deblje, u ovom slučaju jednako debele žice 3 kompozita. Ovaj način realizacije se primenjuje kako bi se reprodukovao konkavni lemni zazor i kako bi se obezbedila što veća geometrijska preciznost nakon lemljenja.

Zavisno od zahteva u pogledu geometrijskog oblika posebnog lemnog zazora, može se upotrebiti koliko god žica 3 kompozita različitih prečnika.

Žice 3 kompozita se uvlače, prema slici 1, u narednom procesnom koraku kroz alat za vođenje i dalje kroz prorez valjka i pritom se ispravljaju prema već provučenoj donjoj traci 6.

Alat za vođenje osigurava, prilikom presovanja valjkom koje sledi, da se žice 3 kompozita presuju samo na željenim mestima, pri čemu tako definiše i međusobni razmak između žica 3 kompozita, kao i razmak žica 3 kompozita u odnosu na uzdužne ivice folije 1 za lemljenje.

Nakon što se žice 3 kompozita na ovaj način isprave u odnosu na donju traku 6, mehanički se fiksiraju sa ulazne strane valjaka 7.

Zatim se gornja traka 6, koja preko žica kompozita ulazi u prorez valjka između valjaka 7, uvlači među valjke i onda se ispravlja u donju traku 6, ivicu uz ivicu.

Od naročite je prednosti da se koriste folije ili trake 6 od mekog lema iste širine. Za kontinuirani proces je takođe svrsishodno da se upotrebljeni materijal koristi u uvijenoj formi kao tzv. coil (namotaj).

Prorez valjka se zatvara, nakon što su trake 6 i žice 3 kompozita u željenoj postavci provučene kroz prorez valjka. Podešavanjem minimalnog razmaka između samih valjaka određuje se debljina trake od kompozita materijala koja će nastati.

Kad se otpočne procesom valjanja, usled plastifikacije metala u prorezu valjka, mekši materijal lema obujmljuje zaobljene zone čvršćih žica 3 kompozita, uobličavajući ih i spajajući se međusobno ponovo tako da se kompozit materijala spaja hemijskim putem – folija 1 za lemljenje prema ovom pronalasku. „Procentualne redukcije visine polaznih traka“ neophodne u tu svrhu prilikom presovanja valjkom (određuje se iz količnika, iz razlike između zbirne početne visine traka 6 (utvrđene bez dodavanja visine žica 3 kompozita) i (tj. oduzete) krajnje visine H folije 1 kompozita (sa umetnutim žicama 3 kompozita), u odnosu na zbirnu polaznu visinu traka 6, u procentima) prisutne su, zavisno od izbora upotrebljenih materijala za folije za lemljenje / trake za lemljenje i konkretno upotrebljene žice kompozita, usmerene pojedinačno i međusobno paralelno i paralelne sa ivicama trake, uzdužno u pravcu valjanja, u opsegu od 30% do 95% (zbirne visine polaznih traka).

U slučaju da se, na primer, kao polazni materijal žice 3 kompozita koristi okrugla žica, ona se približava ovalnom geometrijskom obliku prilikom procesnog deformisanja u prorezu valjka.

Kao što je već napomenuto, mogu se koristiti ovalne žice 3 kompozita već kao polazni oblik materijala.

Prilikom presovanja je važno dobiti zaobljeni oblik žica kompozita.

U okviru rešenja prema ovom pronalasku, ne primenjuju se geometrijski oblici čiji poprečni presek žice kompozita poseduje oblik sa oštrim ivicama.

Samo u slučaju zaobljenih oblika omotača žica 3 kompozita, mekši materijal matrice 2 mekog lema može da obavije hemijskim spojem žicu 3 kompozita prilikom procesa deformisanja, a da pritom ne naiđe na velike otpore u toku materijala.

Lemni materijal matrice 2 mekog lima je pritom, na mestima na kojima je žica 3 kompozita optočena, izložen veoma velikim lokalnim stepenima deformisanja.

Okrugli oblik površine žica 3 kompozita pospešuje obavijanje oko žica kompozita, a da se materijalni sastav lema ne ošteti (naprslina / pukotina) i tek tako obezbeđuje da se i veoma debele žice 3 kompozita, kao što su na primer žice 3 kompozita prečnika koji je 2,5 puta veći od debljine (polaznih) traka 6 od lemnog materijala, integrišu u hemijski spoj, a da se pritom ne mora računati na neko unutrašnje ili spoljašnje oštećenje kompozita.

Samo tako se mogu postići i neophodni, veoma tanki slojevi mekog lema od 5 µm do maksimalno 15 µm koji se nakon postupka presovanja nalaze iznad i ispod oblasti barem jednog od integrisanih jezgara 4 i koji su neophodni za difuzno lemljenje.

U okviru toka procesa prema ovom pronalasku, ne predstavlja problem da se u matricu lema integrišu i žice 3 kompozita čija debljina veoma varira ili žice 3 kompozita koje iznose još samo trećinu izvornog prečnika najdeblje žice 3 kompozita ili koje su, u izuzetnim slučajevima, još i tanje.

Takođe je moguće upotrebiti različite legure kad je reč o jezgrima 4 integrisanih žica 3 kompozita.

Na primer, legure bakra različite čvrstoće ili čist bakar sa različitim stepenom hladnog otvrdnjavanja.

Razlog primene legura različitih čvrstoća je u tome što se u odnosu na lem različite žice 3 kompozita takođe u različitoj meri deformišu prilikom presovanja valjkom.

Žice 3 kompozita sa mekšim legurama u jezgru žice se prilikom valjanja zaobljuju i postaju sve ovalnije i odlikuju se manjom visinom u čitavom kompozitu u poređenju sa čvršćim metalima i legurama.

Izborom legura različite jačine mogu se izraditi i različiti geometrijski lejauti folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku.

Zavisno od upotrebljenih metala kad je reč o trakama 6, matrice 2 mekog lema i žica 3 kompozita, može biti neophodno da se polazni materijali zagreju pre ili tokom ulaska u prorez valjka kako bi se pospešila njihova sposobnost deformisanja.

I folija 1 za lemljenje može se takođe valjanjem istanjiti u još tanju foliju 1 za lemljenje.

Rešenje prema ovom pronalasku predviđa takođe da se lemni kalupi proizvedu iz ovako izrađenih folija 1 za lemljenje prema ovom pronalasku kako bi se izvelo veoma precizno pripremno deljenje na porcije folije 1 za lemljenje za željena mesta lemljenja. To se može sprovesti procesima kao što su, na primer, prosecanje, lasersko sečenje, mikro nagrizanje ili konvencionalni postupci sečenja smicanjem.

Osim toga, moguće je primeniti i kombinovane postupke za proizvodnju lemnih kalupa kompleksnih geometrijskih oblika koji u sebi podrazumevaju odvajanje i istovremeno deformisanje (duboko izvlačenje, utiskivanje).

Budući da je poznato da su iskrivljena mesta za lemljenje sklonija da izgube mehaničku funkciju i dovedu do obrazovanja neželjenih hotspotova nego do homogeno zadebljanih slojeva, kod mnogih slučajeva primene potrebne su dve žice 3 kompozita iste debljine, koje se nalaze u foliji 1 za lemljenje u što debljem stanju i koje su pritom realizovane na egzaktnom međusobnom odstojanju, pri čemu su žice kompozita, na primer, integrisane što bliže ivici u lemnom kalupu.

Prilikom procesa lemljenja se tako sprečava iskrivljenje komponenti i obezbeđuje se što homogeniji lemni sloj.

Slika 2 predstavlja prikaz preseka pre procesa lemljenja, na kome je lemni kalup 8, koji se sastoji od folije 1 za lemljenje bez olova prema ovom pronalasku, postavljen između keramičkog supstrata 9 primenjenog na ovom primeru realizacije i poznatog takođe kao DCB, DBC ili AMB, i podne ploče 10.

Lemni kalup 8 sastavljen od folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku i prosečen iz folije 1 za lemljenje, građen je prema ovom pronalasku tako da su u matricu 2 mekog lema, koja se na ovom primeru realizacije sastoji od lema na bazi kalaja bez olova, integrisane dve žice 3 kompozita tj. kompaktno su integrisane u matricu mekog lema, koje prema ovom pronalasku obuhvataju jezgro 4 koje se sastoji od čvršćeg metala ili legure metala, koji se tope na višoj temperaturi od matrice 2 mekog lema, u ovom slučaju od bakra, oko koga je postavljen omotač 5 od drugog metala ili druge legure metala, u ovom slučaju legure na bazi kalaja. Prema ovom pronalasku se ova postavka, nakon što se formirala „gomila“, u lemnom profilu tipičnom za proces mekog lemljenja, u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za proces mekog lemljenja (tj. zagrevano do otprilike 280°C i u trajanju lemljenja kraćem od 5 minuta) prevodi u tečno stanje.

Ovo se može sprovesti, recimo kao što je uobičajeno u tehničkoj praksi, u vakuumskoj peći, najčešće pod uticajem redukcionih gasova.

Tečni lem se pritom širi po površinama koje se nalaze u kontaktu sa njim.

Prema ovom pronalasku se pritom, kao što je prikazano na slici 3, zahvaljujući difuznim procesima među atomima metala iz oblasti žica kompozita i tečnog lema obrazuju difuzne zone postavljene između lema i materijala koje treba obuhvatiti lemom, a koje sežu oko žica kompozita sve do susednih površina komponenti (tj. sve do supstrata 9 i podne ploče 10), tj. obrazuju se oblasti sa novim hemijskim sastavom, takozvane intermetalne faze 11.

Spojne zone zalemljene monolitnim mekim lemovima, u poprečnom preseku posmatrano nakon mekog lemljenja, obuhvataju spojnu zonu sastavljenu od polaznih sastojaka koja ima isti hemijski sastav kao i pre samog lemljenja.

Kad se, s druge strane, lemljenje vrši folijom 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, oko jezgra 4 se obrazuju oblasti sa hemijski promenjenim sastavom zahvaljujući difuznim procesima koji se prema ovom pronalasku odvijaju prilikom mekog lemljenja pomoću profila mekog lema između žice 3 kompozita i tečne rastopine mekog lema.

Na ovom primeru realizacije, kao lemna matrica se koristi SnCu3.

Jezgro 4 žica 3 kompozita se sastoji od čistog bakra, bez legura, a omotač 5 od legure na bazi kalaja.

Prilikom mekog lemljenja se, prema ovom pronalasku, oko jezgara 4 obrazuje intermetalne faze od Cu3Sn i Cu6Sn5.

Budući da razmaci između ovalnih jezgara žica kompozita integrisanih uz ivice i površina oblasti koje trebe spojiti na najtanjem mestu iznose, na ovom primeru realizacije, samo 5 µm do maksimalno 15 µm (12,5 µm na ovom primeru realizacije), ove oblasti veoma brzo srastu sa intermetalnim fazama.

Pritom se oko jezgra 4 i između jezgra 4 i supstrata 9, kao i između jezgra 4 i podne ploče 10 obrazuju mostovi od intermetalnih faza 11, predstavljeni na slici 3.

Ove intermetalne faze 11 karakterišu veoma visoka čvrstoća i krutost, kao i viša tačka topljenja nego kod matrice 2 mekog lema koja se primenjuje (tačka topljenja intermetalnih faza 11 zavisi od samog materijala koji se primenjuju i najčešće iznosi ≥ 415°C).

Spojna zona između supstrata 9 i podne ploče 10, nakon što sprovede lemljenje sa folijom 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, sastoji se, u poređenju sa lemljenjem monolitnim materijalom mekog lema, ne samo od duktilnog mekog lema, već, s jedne strane, od mostova sačinjenih od veoma čvrstih intermetalnih faza 11, stabilnih na visokim temperaturama, a s druge strane, od duktilnog mekog lema matrice 2 mekog lema koji se graniči sa ovim mostovima.

Ove karakteristike objedinjene u jednom materijalu se stručnim jezikom označavaju „viskoznim“.

Nakon što se završi izrada komponente, ona se koristi kao što je to uobičajeno, pritom se izgubljena snaga, generisana u poluprovodničkim elementima odvodi u obliku toplote na podnu ploču 10 preko supstrata 9 i odgovarajuće spojne zone mekog lema u skladu sa tehničkom praksom.

Različiti materijali pojedinačnih komponenti šire se pritom različitim intenzitetom shodno sopstvenom koeficijentu širenja na toploti.

Ako se, povremeno, kao što je to obično slučaj, na kraće ili duže vreme prekine pogonski rad, onda se izgubljena snaga ne odaje više sa poluprovodničkog elementa u vidu toplote, materijali se onda hlade i skupljaju.

Usled ove stalne promene termičkog opterećenja, na osnovu različitih širenja, u materijalima se generišu naprezanja. Ona se koncentrišu naročito u ivičnim oblastima spojne zone.

Ove ivične oblasti spojne zone izložene su čestoj promeni termičkog opterećenja u toku upotrebe.

U ovom kontekstu se govori takođe o degradaciji lema. Kod konvencionalnih monolitnih spojeva mekim lemom, u početnom stadijumu pukotine se javljaju samo na rubnim oblastima zalemljenog mesta / spojne zone.

U početnom stadijumu još uvek nije ugrožena funkcionalnost čitave komponente.

U daljem neprekidnom pogonskom stanju, kod konvencionalnih spojeva na bazi mekog lema šire se zatim pukotine u mekom lemu spojne zone sve do ispod oblasti iznad kojih naležu poluprovodničke komponente.

Toplota se tada mnogo teže odvodi.

Poluprovodnički element postaje tako suviše vruć, a čitava komponenta prestaje da bude funkcionalna.

Lemnim spojem, izrađenim u procesu mekog lemljenja pomoću rešenja prema ovom pronalasku, može se sada obezbediti vidno duži životni vek cele komponente, kao na primer celog energetskog poluprovodničkog modula, za razliku od rešenja iz tehničke prakse.

Slika 4 prikazuje lemni spoj predstavljen na slici 3 prema ovom pronalasku (u kombinaciji sa energetskim poluprovodničkim modulom).

Iz ovog prikaza je jasno kako se pomoću rešenja prema ovom pronalasku sprečava širenje pukotina 12.

Duktila matrica 2 mekog lema obezbeđuje optimalnu razgradnju toplote, po sredini spojne zone 13, u kombinaciji sa stabilnim mostovima od intermetalnih faza 11.

Na rubovima spojne zone 13 može, nakon dugog niza smenjivanja termičkog opterećenja, doći do obrazovanja pukotina 12 kao posledica zamora materijala mekog lema.

U ovom kontekstu, kao što je prikazano na slici 4, mostovi od veoma čvrstih intermetalnih faza 9, formirani prema ovom pronalasku oko žica 3 bakra, utiču na to da se spreči dalje širenje ovih pukotina 12.

Stoga je neophodno i od velike prednosti da se žice 3 kompozita integrišu što bliže tj. da se približe koliko je neophodno uz rubove/ivice lemnih kalupa 8 kako bi se na taj način ispod zona naleganja poluprovodničkih elemenata sprečile pukotine (njihovo širenje).

Pomoću žica 3 kompozita utisnutih valjanjem u foliju 1 za lemljenje, sa integrisanim jezgrima 4 od bakra, srebra ili zlata, obezbeđuje se, osim toga, kad je reč o okolnom mekom lemu, istovremeno vidno poboljšana provodljivost toplote kroz spojnu zonu 13, čime se znatno produžava životni vek energetskog poluprovodničkog modula. Na osnovu vidno poboljšanog odvođenja toplote prema ovom pronalasku, moguće je da pogonske temperature čitave komponente dodatno opadnu i da se tako još jednom vidno redukuje mogućnost da se pojave termo-mehanička opterećenja.

Na slikama 5 i 6 predstavljena su, u prostornom prikazu, dva različita lemna kalupa 8, izrađena od različitih folija 1 za lemljenje prema ovom pronalasku.

Slika 5 predstavlja, u prostornom prikazu, lemni kalup 8 izrađen od folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, sa dve žice 3 kompozita integrisane/utisnute u matricu 2 mekog lema kako bi se nakon procesa lemljenja obezbedila homogena debljina lemnog sloja.

Kako bi se, recimo, neki poluprovodnički element sa metalizacijom sa zadnje strane zalemio za neki supstrat od Cu i keramike, koriste se lemni kalupi 8 predstavljeni na slici 5 i proizvedeni od folije za lemljenje prema ovom pronalasku, sa dimenzijama od, recimo, Š = 15 mm x D = 15 mm.

Ovim primerom realizacije potrebno je obezbediti spojnu zonu 13 sa visinom V = 100 mm.

Budući da poluprovodnički materijal nema otklon vredan pomena, a ni supstrat zbog širenja ove oblasti ne odstupa značajno od ravnog površinskog oblika, dovoljno je da se lemno mesto stabilizuje sa dve žice 3 kompozita koje naležu uz rubove i koje su jednake visine. Lemni kalupi 8 potrebni za tu svrhu izrađuju se iz folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku što će se objasniti u nastavku.

Kao polazni materijal služe dve trake 6 mekog lema od SnCu3 debljine 0,340 mm i širine 70,0 mm, u kombinaciji sa šest odvojeno izvučenih žica 3 kompozita sa jezgrom 4 od bakra sa omotačem 5 od kalaja. Trake 6 i žice 3 kompozita dopremaju se prorezu valjka preko odgovarajućih alata za vođenje, kao što je već objašnjeno, pri čemu se ispravljaju jedne ka drugima tako da trake 6 mekog lema, pokrivajući se ponovo međusobno, ulaze u prorez valjka, a žice 3 kompozita su postavljenje između, na preciznom međusobnom odstojanju.

Žice 3 kompozita koje se pružaju pojedinačno, ispravljaju se pritom na međusobno odstojanje od 10,0 mm.

Odstojanje od ivica trake takođe je na 10,0 mm.

Jezgro 4 žice 3 kompozita sastoji se od tvrdog bakra prečnika od 500 µm, a omotač obuhvata kalaj debeo 5 do 25 µm.

Kompozit se presuje do debljine od 220 µm, a onda se u dva naredna provlačenja kroz valjak redukuje na krajnju debljinu od 100 µm.

Iz folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku moguće je, čitavom dužinom, kontinuirano prosecati po tri lemna kalupa u svakom probojnom pokretu, sa dimenzijom 15,0 mm x 15,00 mm.

Alat za prosecanje i ležaj probojca se realizuju pritom tako da odstojanja probojaca od rubova traka iznosi 7,5 mm, a između samih probojaca 5 mm.

Pritom se lemni kalupi 8 prosecaju iz folije 1 za lemljenje kod kojih se dve integrisane žice kompozita nalaze na odstojanju od 2,5 mm od njihovih spoljašnjih ivica.

Geometrijska građa jednog od ovih lemnih kalupa prostorno je prikazana na slici 5.

Pritom visina lemnog kalupa 8 iznosi V = 0,100 mm; širina lemnog kalupa 8 Š = 15,0 mm; a dužina lemnog kalupa 8, D = 15,0 mm.

Žice 3 kompozita deformisane u ovalni geometrijski oblik imaju sledeće dimenzije širenja, veći prečnik iznosi otprilike 430 µm, manji prečnik koji je u nastavku odgovoran za kontrolu homogene debljine lemnog sloja, poseduje dimenziju širenja od otprilike 84 µm.

Stubići mekog lema / debljine mekog lema preko žica 3 kompozita utisnutih u foliju 1 prema ovom pronalasku (visine V = 100 µm) iznose na najtanjem mestu otprilike 8 µm.

Ovi lemni slojevi debeli otprilike 8 µm se, prema ovom pronalasku, prilikom lemljenja sa profilima mekog lema tipičnim za meko lemljenje tj. u temperaturnom opsegu npr. do otprilike 280°C i u trajanju lemljenja kraćem od 5 minuta, u potpunosti pretvaraju u intermetalne faze koje se tope na višim temperaturama, u ovom slučaju Cu6Sn5 i Cu3Sn. Prema ovom pronalasku se pritom duž obeju žica 3 kompozita integrisanih tokom procesa lemljenja, kako u pravcu prema površini supstrata, tako i u pravcu prama metalizovnoj zadnjoj strani poluprovodnika, stvaraju kompletni mostovi od intermetalnih faza koji se tope na višim temperaturama, koji su, između ostalog, u kombinaciji sa jezgrima žica zaduženi da spreče iskrivljenje zalemljene poluprovodničke komponente u odnosu na supstrat i da se istovremeno obezbediti visoko precizno fiksiranje poluprovodničkog elementa u odnosu na supstrat, kako zbog transporta, tako i zbog sledećeg procesa lemljenja u sledećoj komori peći.

U ovom narednom procesu lemljenja, supstrat 9, spojen sa poluprovodničkim elementom, lemi se, recimo, sa još jednim rashladnim telom.

Rešenje prema ovom pronalasku utiče pritom na to da materijal poluprovodnika, već zalemljen sa supstratom 9, ne može da „isklizne“ niti prilikom transport u narednu komoru peći, niti pri narednom procesu lemljenja.

Predstavljenim pronalaskom obezbeđuje se rešenje kod koga se samo oblasti oko utisnutih žica 3 kompozita pretvaraju u čvrste intermetalne faze 11 koje se tope na višim temperaturama.

Ostatak spojne zone 13 sastoji se od mekog lema izvornog sastava.

Na taj način ima dovoljno oblasti koje kompenzuju termo-mehanička opterećenja koja se javljaju prilikom sastavljanja i u uslovima primene, što nije moguće u kombinaciji sa spojnom zonom 13 koja se pretežno sastoji od krtih intermetalnih faza 11 i zbog koje već prilikom procesa lemljenja može doći do funkcionalnog otkazivanja poluprovodničkih elemenata.

Slika 6 prikazuje samo jedan lemni kalup 8 sa tri žice 3 kompozita integrisane u matricu 2 mekog lema.

Pomoću ovog lemnog kalupa 8 potrebno je stabilizovati konkavno lemno mesto za vreme „lemljenja supstrata 9 – za – podne ploče 19“, koje je rezultat upotrebe prethodno savijene podne ploče 10 i komplementarnog bikonveksnog supstrata 9.

Dve debele žice 3 kompozita, integrisane uz ivice, treba pritom da budu zadužene za što manje iskrivljenje supstrata 9, a samim tim i za što homogeniju debljinu lemnog sloja u spojnoj zoni 13 od otprilike 180 µm.

Treća žica 3 kompozita, manje debljine, što naleže centralno treba da stabilizuje konkavno lemno mesto.

Za izradu folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku kao polazni materijal za proizvodnju lemnih kalupa 8 koriste se dve očetkane trake 6 od SnAg3,5 debljine od 0,470 mm i širine od 70 mm, kao i tri žice 3 kompozita sa bakrom kao materijalom jezgra 4 sa galvanski kalajisanim slojem oko jezgra 4 u vidu omotača 5, u čvrstom stanju.

Obe žice 3 kompozita, postavljene uz ivice, su okrugle, pre presovanja valjkom obuhvataju spoljašnji prečnik od 0,8 mm i debljinu omotača 5 od kalaja od otprilike 25 µm.

Treća, srednja žica 3 kompozita obuhvata prečnik od 0,55 mm i takođe ima omotač 5 od kalaja debeo 25 µm.

Donja očetkana traka 6 se uvlači uvijačem kroz otvoreni prorez valjka, prolazeći kroz alat za vođenje i doprema se navojnoj jedinici.

Srednju žicu 3 kompozita uvlači kalem pomoću alata za vođenje i ispravlja je tačno po sredini u odnosu na donju očetkanu traku 6.

Srednja žica 3 kompozita se fiksira sa izlazne strane.

Zatim se jedna žica 3 kompozita sa ivične strane sa spoljašnjim prečnikom od 0,800 mm namotava na kalem i provlači kroz alat za vođenje i postavlja desno od žice kompozita koja se pruža po sredini.

Odstojanje od žice kompozita koja se pruža po sredini treba da iznosi 20 mm na ovom primeru realizacije.

Na taj način nastaje razmak od 15 mm od desne ivice trake 6 od SnAg3,5 koja se nalazi ispod žice kompozita.

Treća žica 3 kompozita koja treba da se pruža sa leve strane od sredine trake 6 i koja takođe ima prečnik od 0,800 mm namotava se na kalem provučena kroz alat za vođenje i postavljena je na odstojanju takođe od 20 mm od žice kompozita koja se pruža po sredini.

Žice 3 kompozita koje se pružaju sa leve i desne strane od sredine, takođe se fiksiraju sa izlazne strane valjkom.

Gornja traka 6 od SnAg3,5 se kao poslednja takođe provlači kroz prorez valjka, takođe prolazeći kroz alat za vođenje, polazeći od bočne postavke identično donjoj traci 6 od SnAg3,5.

Prorez valjka između valjaka 7 podešava se tako da nastane folija 1 za lemljenje prema ovom pronalasku debljine od 0,350 mm.

Pritom se okrugli poprečni preseci žica kompozita obavijaju folijama od SnAg3,5,a onda se optoče mekim lemom.

Prolazeći dva puta kroz valjak, debljina folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku se dodatno smanjuje na 180 µm.

Ovako izrađena folija 1 za lemljenje prema ovom pronalasku ima pravougaoni poprečni presek visine V = 0,18 mm i širine od otprilike 70 mm, sa matricom mekog lema od SnAg3,5.

Žice 3 kompozita izvrnute/deformisane u ovalni oblik su umetnute centralno / simetrično u odnosu na težište pravougaonog poprečnog preseka u matricu mekog lema.

Manji prečnik srednje žice iznosi otprilike 120 µm, a njegov najveći prečnik iznosi otprilike 395 µm.

Obe žice 3 kompozita postavljene uz ivice takođe se deformišu u ovalne oblike sa manjim prečnicima ovala od otprilike 155 µm i većim prečnicima ovala od otprilike 620 µm.

Površinska težišta ovala nalaze se pritom uvek u sredini, to jest na pola ukupne debljine / ukupne visine, u foliji 1 za lemljenje prema ovom pronalasku.

Alatima za vođenje se istovremeno obezbeđuje da se odstojanja površinskih težišta ovala žica kompozita održavaju na jednakoj udaljenosti tokom celog procesa presovanja valjkom.

U nastavku se iz folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku izbijaju elementi tzv. „modle“ sa sledećim dimenzijama (vidi sliku 5): visina V = 180 µm; širina Š = 46,5; dužina 38,0 mm.

Izbijeni elementi se mogu proizvesti iz ove folije 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, koja je prethodno objašnjena, sa minimalnom (smislenom) širinom Š od 43,00 mm do maksimalne širine Š trake od 70,0 mm. Dužina D lemnih kalupa 8 mogla bi, logično tome, teoretski da iznosi od 5,0 mm do preko 100 mm.

U procesu mekog lemljenja, sa ovom folijom 1 za lemljenje prema ovom pronalasku, radi se na maksimalnoj temperaturi u lemnom profilu 250°C-260°C.

Tada lem od SnAg3,5 prelazi u tečno stanje.

Isto to važi i za omotač bakrenih žica od kalaja.

Pretvaranjem dela mekog lema, prema ovom pronalasku, u predelu žica 3 kompozita u intermetalne faze Cu6Sn5 i Cu3Sn smanjuje se udeo tečnog mekog lema koji se nalazi iznad i ispod žica kompozita uz bočne ivice, tako da vrednost za koju supstrat apsolutno može da se iskrivi jeste ≤ 10.

Srednja žica kompozita, budući da su njene dimenzije projektovane da budu nešto tanje, dopušta skraćivanje odstojanja između donje ivice supstrata 9 i gornje ivice podne ploče tako da je moguć konkavni oblik lemnog proreza. Ona istovremeno sprečava preterano uranjanje tj. približavanje donje strane supstrata ka gornjoj strani podne poloče po sredini.

Na taj način je supstrat 9 poduprt trima žicama 3 kompozita.

Srednja žica 3 kompozita takođe sprečava da žice 3 kompozita uz ivice iskliznu za vreme lemljenja ako bi celokupna struktura, prilikom procesa lemljenja, bila izložena jakom kontaktnom pritisku.

Sa materijalom prema ovom pronalasku, kombinuju se takođe sledeće prednosti, s jedne strane to da se blokira širenje pukotina u slučaju kad ponestane materijal na mestima oko žica, a samim tim se produžava i životni vek zalemljenih mesta, a s druge strane da se zahvaljujući velikim dostupnim zonama sa duktilnim mekim lemom omogućuje spajanje materijala koji, zbog različitog ponašanja pri termičkom širenju, izazivaju velika termomehanička opterećenja.

Prema ovom pronalasku obezbeđuje se, dakle, nova folija 1 za lemljenje koja nakon procesa lemljenja omogućuje podešavanje definisanog geometrijskog oblika spojne zone koji se može reprodukovati, bilo da je reč o prostom ili složenom obliku, a koja je pogodna takođe za procese postupnog lemljenja kako bi se sa lemnim profilom, tipičnim za meko lemljenje tj. u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za proces mekog lemljenja u procesnom temperaturnom opsegu tipičnom za meko lemljenje tj. poželjno 250°C do 300°C, kao i u trajanju lemljenja kraćem od 5 min, kao i bez toplotnog tretmana u nastavku i bez dodatne primene sile pritiska za vreme lemljenja, uz istovremeno izbegavanja formiranja pora i ili šupljina u spojnoj zoni, sprečilo iskliznuće zalemljenih komponenti takođe u okviru takozvanog postupnog procesa lemljenja kod kojih postoji opasnost od ponovnog topljenja prethodno zalemljenih oblasti, tako da se u procesu lemljenja sa visokom geometrijskom preciznošću obrazuju kompletni mostovi od intermetalnih faza koji se tope na višim temperaturama, a koji su precizno definisani u pogledu dimenzija i međusobnog odstojana i koji su fiksno povezani sa metalnim / metalizovanih površinskim slojevima komponenti koje treba zalemiti, pri čemu te faze imaju temperaturu ponovnog topljenja višu od 400°C i koje omogućuju dimenziono visoko preciznu, geometrijski egzaktnu spojnu zonu koja, osim toga, zahvaljujući mehaničkoj čvrstoći ovih mostova stabilnih na visokim temperaturama, istovremeno sprečava / zadržava širenje pukotina u spojnoj zoni u slučaju kad ponestane materijal lema neposredno kod mostova, pri čemu meki lem koji okružuje mostove, matrica mekog lima, istovremeno prihvata termomehanička opterećenja prouzrokovana lemljenjem, ali i nastala tokom upotrebe same komponente i na taj način sprečava da ponestane materijal, čime, posmatrano u širem kontekstu, ovde opisano rešenje značajno produžava životni vek spojne zone u poređenju sa spojnom zonom izrađenom konvencionalnim materijalima za lemljenje poznatim iz tehničke prakse tehnika konstruisanja i spajanja, a pritom se istovremeno značajno poboljšava termička provodljivost celokupne spojne zone zahvaljujući umetnutim Cu žicama (ili Ag ili Ni itd.).

Spisak pozivnih oznaka

1 folija za lemljenje

2 matrica mekog lema

3 žica kompozita

4 jezgro

5 omotač

6 traka (folija)

7 valjak

8 lemni kalup

9 keramički supstrat

10 podna ploča

11 intermetalna faza 12 pukotina

13 spojna zona

V visina

Š širina

D dužina

a odstojanje od ivice c odstojanje

Claims

Patentni zahtevi

1. Folija (1) za lemljenje bez olova debljine od 50 µm do 600 µm kojom se međusobno povezuju metalne komponente i/ili metalizovane komponente / komponente premazane metalom tj. metalni površinski slojevi susednih komponenti, pri čemu je folija (1) za lemljenja konstruisana tako da su u matrici (2) mekog lema raspoređene dve ili više žica, pojedinačno, paralelne jedna drugoj i paralelno sa ivicama trake naznačena time,

- što su ove žice, postavljene pojedinačno u foliji (1) za lemljenje realizovane kao žice (3) kompozita koje obuhvataju jezgro (4) koje se sastoji od čvršćeg metala ili legure metala, koji se tope na višoj temperaturi od matrice (2) mekog lema, kao što je bakar ili legura na bazi bakra, srebro ili legura na bazi srebra, nikl ili legura na bazi nikla, zlato ili legura na bazi zlata, oko koga je postavljen omotač (5) od drugog metala ili druge legure metala, kao što je čist kalaj ili legura na bazi kalaja ili indijum ili legura na bazi indijuma i

- što omotač (5) žice (3) kompozita iznosi otprilike od 2 % do 20 % ukupnog prečnika žice (3) kompozita i

- što se žice (3) kompozita presuju valjanjem, poređane uzdužno u odnosu na pravac valjanja, između dveju folija za meko lemljenje ili dveju traka za meko lemljenje, postupkom valjanja pri „procentualnoj redukciji visine polaznih traka“, izračunato na osnovu razlike između zbirne polazne visine traka (6), bez dodavanje visine žica (3) kompozita i krajnje visine (V) folije (1) kompozita, sa umetnutim žicama (3) kompozita, u odnosu na zbirnu polaznu visinu traka (6), u procentima, u opsegu preko 30 % do najviše 95 % i na taj način su raspoređene čvrsto vezane u matrici mekog lema i

- što nakon postupka presovanja valjanjem, iznad i ispod najmanje jednog od jezgara (4) žica (3) kompozita utisnutih u matricu (2) mekog lima, postavljen još jedan sloj od materijala mekog lima koji je sastavljen od dela matrice (2) mekog lema i sloja omotača (5) žica (3) kompozita, što tada ukupno iznosi, na najtanjem mestu, najmanje 5 µm, a najviše 15 µm.

2. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnom zahtevu 1, naznačena time,

- što se matrica (2) mekog lema sastoji od lema na bazi kalaja bez olova, čistog kalaja, čistog indijuma ili od legure na bazi indijuma kao što je InSn48.

3. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnom zahtevu 1 ili 2, naznačena time,

- što se omotač (5) žice (3) kompozita dobija galvanski ili potapanjem jezgra (4) u metalnu rastopinu.

4. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 3, naznačena time,

- što se kao žice (3) kompozita primenjuju žice (3) kompozita sa okruglim ili ovalnim poprečnim presekom.

5. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 4, naznačena time,

- što sve žice (3) kompozita koje se primenjuju u foliji (1) za lemljenje, u početnom stanju, imaju iste dimenzije poprečnog preseka.

6. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 4, naznačena time,

- što žice (3) kompozita koje se primenjuju u foliji (1) za lemljenje, u početnom stanju, imaju različite dimenzije poprečnog preseka.

7. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 6, naznačena time,

- što minimalni dopustivi razmak između jezgara (4) žica (3) kompozita nakon procesa valjanja iznosi 500 µm i

- što minimalni dopustivi razmak između jezgara (4) žica (3) kompozita do spoljašnje ivice folije (1) za lemljenje nakon procesa valjanja iznosi 500 µm.

8. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 7, naznačena time,

- što se jezgra (4) svih žica (3) kompozita koje se primenjuju u foliji (1) za lemljenje sastoje od uniformnog materijala jezgra i što se omotači (5) svih žica (3) kompozita koje se primenjuju u foliji (1) za lemljenje sastoje od uniformnog materijala omotača.

9. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 7, naznačena time,

- što se jezgra (4) svih žica (3) kompozita koje se primenjuju u foliji (1) za lemljenje sastoje od različitog materijala jezgra i što se omotači (5) svih žica (3) kompozita koje se primenjuju u foliji (1) za lemljenje sastoje od različitog materijala omotača.

10. Folija (1) za lemljenje bez olova prema patentnim zahtevima 1 do 9, naznačena time,

- što je „procentualna redukcija visine polaznih traka“ u opsegu od 50 % do 85 %.